CN104160133B - 带增压器的内燃机的控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

内燃机(1)具有增压器(12)，并且具有缸内直接喷射式的燃料喷射阀(10)。如果在气缸筒(3)的壁温较低时向低速增压区域转换，则机油被附着于气缸筒(3)壁面上的液状燃料稀释，向燃烧室(4)飞散，从而发生异常燃烧。在本发明中，在向规定的低速增压区域转换时，气缸筒壁温越低而使燃料增量越多，抑制压缩上止点附近的混合气温度，避免异常燃烧。

Description

带增压器的内燃机的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种带增压器的内燃机的控制装置以及控制方法，特别地，涉及抑制缸内直接喷射式内燃机中的由机油成分引起的内燃机低温时的异常燃烧的技术。

背景技术

在专利文献1中记载有下述内容，即，由于用于内燃机润滑的机油与进气一起被吸入至燃烧室内而引起的低速高负载区域的异常燃烧。在这里，作为包含于漏气中的油雾在进气系统的稳压罐内停留，并与进气流相伴而流入至燃烧室内的情况进行说明，公开了下述技术，即，为了避免由该机油引起的异常燃烧，对流入至气缸的机油量进行推定，与该机油量相对应，进行增压压力的限制、空燃比的提升、点火时期的延迟化等。另外，在专利文献1中，将由机油引起的异常燃烧，与通常的敲缸相同地，作为气缸筒壁温越高，异常燃烧的发生概率越高而进行处理，气缸筒壁温越高，越提高增压压力的限制及空燃比提升的程度。

在具有增压器的内燃机、特别是缸内直接喷射式内燃机中，如果在内燃机温度较低的暖机运转中，驾驶员将加速器踏板踏入等而在低速旋转速度的状态下进入增压区域，则有时产生伴随着与通常的敲缸不同的异常声音的激烈的异常燃烧(一种早燃)。

这种异常燃烧在从进气系统完全没有流入机油成分的情况下也可能产生，根据本发明人的研究，获知这是以与专利文献1中说明的异常燃烧完全不同的机理产生的异常种类的异常燃烧。

根据本发明人的理解，在气缸筒壁温比较低的阶段中，由缸内直接喷射式燃料喷射装置向缸内喷射的燃料(通常为汽油)成为液滴，向气缸筒壁面上附着。另一方面，在气缸筒壁面上机油成为极薄的膜而存在，以对活塞滑动面进行润滑。因此，在活塞上升时，在最上部的活塞环的上方的U形环(由活塞外周面、气缸筒壁面和上述活塞环三者围成的槽状的空间)中，机油和液体的燃料聚集，机油被液体的燃料稀释。在该状态下，如果活塞作为压缩行程而向上方运动，则活塞速度在行程的前半段增加后，从行程的中间点开始转换为减速，因此，由于惯性而将机油和燃料的混合物向燃烧室内放出。在压缩行程的后半段，由于通过压缩而使燃烧室内的混合气成为高温高压，所以向这里放出的机油成分成为着火源，与本来的点火时期相比提前着火，导致异常燃烧。特别地，在增压区域中，由于压缩上止点附近的混合气温度高，另外，在内燃机低速时成为着火源的机油直至着火为止的实际时间变长，因此，在低速的增压区域中容易产生该异常燃烧。此外，机油与燃料相比挥发性较低，但在气化的状态下反而着火性比燃料高，因此，由于向燃烧室内飞散而容易成为着火源。

由这种机理引起的异常燃烧，在内燃机暖机后即气缸筒壁面成为高温的状态下，基本上不产生。其原因在于，如果气缸筒壁温充分高，则与气缸筒壁面碰撞的燃料喷雾迅速地蒸发，因此在上述U形环中，不会作为液状燃料而与机油混合。在机油以单体方式停留于U形环中的状态下，不会被燃料稀释而能够维持高粘性，因此，不会与活塞行程相伴而向燃烧室内飞散。因此，上述的异常燃烧仅在气缸筒壁温低的未暖机状态下成为问题，另外，气缸筒壁温越低越容易产生。

本发明的目的在于，基于这种新的理解，防止带增压器的缸内直接喷射式内燃机中的内燃机低温时的低速增压区域的异常燃烧。

专利文献1：日本特开2011－231741号公报

发明内容

本发明的带增压器的内燃机的控制装置，其中，该内燃机形成为具有缸内直接喷射式的燃料喷射装置，并且具有增压器，在该带增压器的内燃机的控制装置中，在气缸筒壁温较低的未暖机时，在规定的低速·增压区域，进行用于抑制压缩上止点附近的混合气温度的混合气冷却控制。

即，如果在气缸筒壁温较低的暖机运转中，驾驶员将加速器踏板踏入等而在低速旋转速度的状态下进入增压区域，则进行规定的混合气冷却控制，抑制压缩上止点附近的混合气温度。由此，避免异常燃烧的产生。

在一个方式中，所述混合气冷却控制是所述燃料喷射装置中的喷射量的增量校正，气缸筒壁温越低采用越大的增量比例。如上述所示，通过使向缸内的燃料喷射量增量，从而利用气化热得到冷却作用，抑制混合气温度。

另外，在另一个方式中，所述混合气冷却控制是利用该可变压缩比机构实现的机械压缩比的降低校正，气缸筒壁温越低将机械压缩比设得越低。如上述所示，通过将机械压缩比校正得较低，从而抑制压缩上止点附近的混合气温度。

并且，在其他例子中，所述混合气冷却控制是利用可变动阀机构使气门重叠扩大，气缸筒壁温越低越使气门重叠扩大。通过这种气门重叠的扩大而对高温残留气体进行扫气，因此，抑制压缩上止点附近的混合气温度。

并且，在其他例子中，所述混合气冷却控制是利用该排气回流装置使排气回流，气缸筒壁温越低越增大排气回流率。通过排气回流而使混合气的热容比变低。因此，即使假设回流后的排气与进气相比为高温，也使压缩上止点附近的混合气温度降低。为了将混合气温度进一步降低，优选将回流排气经由EGR气体冷却器冷却后导入。

并且，在其他例子中，所述混合气冷却控制是利用该中冷器对进气进行冷却，气缸筒壁温越低越加强对进气的冷却。

根据本发明，在带增压器的缸内直接喷射式内燃机中，可以可靠地避免在气缸筒壁温较低的暖机运转中，驾驶员将加速器踏板踏入等而在低速旋转速度的状态下进入增压区域的情况下的异常燃烧。

附图说明

图1是本发明所涉及的带增压器的缸内直接喷射式内燃机的结构说明图。

图2是表示内燃机的运转区域的说明图。

图3是由机油成分引起的异常燃烧的产生机理的说明图。

图4是喷射量控制的流程图。

图5是表示相对于气缸筒壁温的增量比例的特性的说明图。

图6是表示本发明的第2实施例的结构说明图。

图7是表示相对于气缸筒壁温的机械压缩比的特性的说明图。

图8是表示本发明的第3实施例的结构说明图。

图9是表示本发明的第4实施例的结构说明图。

图10是表示本发明的第5实施例的结构说明图。

具体实施方式

下面，基于附图，对本发明的一个实施例进行详细说明。

图1是表示本发明所涉及的带增压器的内燃机1的概略的结构说明图，在该内燃机1中，将活塞2配置在气缸筒3内而形成燃烧室4，并且在该燃烧室4上，经由进气阀5而连接有进气通路6，且经由排气阀7而连接有排气通路8。

另外，在燃烧室4的顶壁上配置有火花塞9，并且在燃烧室4的一个侧部上，配置有向燃烧室4内直接喷射供给燃料的燃料喷射阀10。

作为上述进气通路6，在收集器6a的上游具有经由由电动机等构成的致动器11a对开度进行调节的节流阀11，并且在其上游侧安装有增压器12。作为该增压器12，可以使用例如将离心型压缩机和排气涡轮以同轴状连接的公知的涡轮增压器、或其他公知形式的机械式增压器等。利用上述增压器12，如图2概略地所示，在与某个边界线L相比低负载侧的区域A中，收集器6a内为负压，且在与边界线L相比高负载侧的区域B中，收集器6a内为正压。

来自上述燃料喷射阀10的燃料喷射量及其喷射时期、火花塞9的点火时期、节流阀11的开度等，通过发动机控制器14而控制。向该发动机控制器14输入用于对内燃机旋转速度N以及曲轴角位置进行检测的曲轴角传感器15、用于对吸入空气量Q进行检测的进气量传感器16、表示气缸筒3的壁温T的温度传感器17、对由驾驶员操作的加速器踏板的开度(加速器开度)APO进行检测的加速器开度传感器18等各种传感器类的检测信号。节流阀11的开度基本上与加速器开度APO相对应而被控制。作为上述温度传感器17，可以使用与气缸筒3的壁温相关度高的润滑油温度传感器、或者作为其代替的冷却水温度传感器等，或者也可以利用热电偶等直接对气缸筒3的壁温进行检测。

如上述所示，在具有增压器12的缸内直接喷射式内燃机中，如上述所示，在气缸筒3的壁温比较低的未暖机时，在图2中作为区域C而例示的低速高负载的增压区域中，容易发生由机油引起的异常燃烧(早燃)。图3是对该异常燃烧的产生机理进行说明的说明图，在气缸筒3的壁温较低的阶段中，从燃料喷射阀10向缸内喷射的燃料成为液滴，向气缸筒3壁面附着。另一方面，在气缸筒3壁面上，为了对活塞2滑动面进行润滑而使机油以成为极薄的膜的方式存在。因此，在活塞2上升时，在最上部的活塞环19的上方的U形环20(由活塞2外周面、气缸筒3壁面和活塞环19这三者围成的槽状空间)中，机油和液体的燃料聚集，机油被液体的燃料稀释。在该状态下，如果活塞2作为压缩行程而向上方运动，则活塞2的速度在行程的前半段增加后，从行程的中间点开始转换为减速，因此，由于惯性而使机油和燃料的混合物从U形环20如标号21所示向燃烧室4内放出。在该压缩行程的后半段中，由于压缩而使燃烧室4内的混合气成为高温高压，所以向这里放出的机油成分成为着火源而着火(参照标号22)，在标准的点火时期之前引起异常燃烧。

在本实施例中，通过燃料喷射量的增量而抑制这种内燃机冷机时的异常燃烧。图4示出上述燃料喷射阀10的燃料喷射量校正的概略，在步骤101中，作为内燃机运转条件，读取吸入空气量Q、内燃机旋转速度N以及气缸筒壁温T。然后，在步骤102中，参照将上述吸入空气量Q、内燃机旋转速度N以及气缸筒壁温T作为参数而预先分配最佳的喷射量的由三维图构成的燃料喷射量图，确定与此时的吸入空气量Q、内燃机旋转速度N以及气缸筒壁温T对应的燃料喷射量。然后，在步骤103中，在规定的喷射时期到来时，将上述的燃料喷射量从燃料喷射阀10直接向缸内喷射。此外，也可以在根据吸入空气量Q和内燃机旋转速度N确定基本燃料喷射量后，乘以与气缸筒壁温T对应的校正系数，求出最终的燃料喷射量。

这样确定的燃料喷射量，包含有用于抑制本发明的作为课题的区域C中的异常燃烧的增量。在图5中，为了简化说明，而着眼于区域C内的某个特定的负载以及旋转速度(例如图2的运转点c1)，示出了在冷机起动后，针对随着经过时间而不断上升的气缸筒壁温T，如何施加增量比例。如图所示，在暖机完成之前的暖机运转中，如果内燃机的负载以及旋转速度处于区域C内的运转点c1，则与暖机完成后的燃料喷射量进行比较，对燃料喷射量进行增量校正。并且，对于该增量比例(例如将暖机完成后的燃料喷射量设为1时的增量比例)，气缸筒壁温T越低而施加得越大。即，气缸筒壁温T越低，空燃比的提升程度越大，通过气化热的冷却作用而抑制压缩上止点附近的混合气温度。此外，由于运转点c1是要求高扭矩的高负载区域，所以即使在暖机完成后，在运转点c1，控制为与理论空燃比相比略高的空燃比。

如上述所示，通过进行燃料增量，以在气缸筒壁温T较低时，压缩上止点附近的混合气温度较低，从而可靠地抑制由上述的机油飞散引起的异常燃烧。

此外，在进气口喷射式内燃机的大多数或缸内直接喷射式内燃机的一部分中，为了在冷机起动时，对喷射的燃料成为壁流而使缸内的空燃比实质上稀空燃比化的情况进行补偿，而进行所谓“水温增量”、即冷却水温度越低越使喷射量增量的校正，但本发明的燃料增量校正与该水温增量不同。对于水温增量，设定为必要的最小限度，以利用壁流使得空燃比不会比稀空燃比可燃极限更稀，在刚起动后的略微期间以后，基本上排气空燃比成为理论空燃比。对此，本发明为了抑制带增压器的缸内直接喷射式内燃机所特有的上述异常燃烧，而在具备暖机运转中、内燃机低速区域、增压区域这3个条件时，临时容许排气空燃比的提升，进行能够抑制压缩上止点附近的混合气温度的比较大量的燃料增量。

换言之，水温增量和本发明的增量校正是以不同的目的进行的，例如，在进行刚冷机起动后的水温增量的条件下，并且具有成为本发明的增量校正对象的条件的情况下，在水温增量的基础上进行本发明的增量校正。

另外，在图5中，描绘为随着经过时间，增量比例连续地减少，但如上述所示，这只不过是示出了区域C内的运转点c1处的特性。区域C由于是低速高负载区域，所以在实际运转的环境中，几乎不会长时间停留在该区域C，例如在怠速时急速地将加速器踏板踏入时，只不过是临时横穿区域C。在区域C以外，不进行图5所示的增量校正。即，作为实际的运转环境，如果从区域C以外的区域向区域C转换，则开始增量校正，相反地，如果从区域C向其他区域转换，则解除增量校正，以这种方式，伴随着与区域C之间的转换而临时进行增量校正，该增量校正时的增量比例与此时的气缸筒壁温T相对应。当然，如果在从冷机起动至暖机结束为止的期间不向区域C转换，则不必进行增量校正，在实际的运转环境中，在暖机完成之前，极少在区域C内运转。

下面，基于图6及图7对本发明的第2实施例进行说明。该第2实施例如图6所示，内燃机1具有可变压缩比机构31，能够使该内燃机的机械压缩比连续或阶段性地变化。作为该可变压缩比机构31，在图示的例子中，使用了利用多连杆式活塞曲柄机构使循环的压缩上止点的活塞2的实际位置上下变化的公知的可变压缩比机构，但并不限定于此，只要能够使机械压缩比变化即可，可以使用任意形式的可变压缩比机构。

在该实施例中，如图7所示，通过使机械压缩比降低，从而抑制上述的异常燃烧。即，图7是与上述的图5相同的说明图，如果在暖机完成前的暖机运转中，内燃机的负载以及旋转速度处于区域C内的运转点c1，则与暖机完成后的机械压缩比进行比较，对机械压缩比进行降低校正。并且，该校正比例为，气缸筒壁温T越低而施加得越大。即，气缸筒壁温T越低，机械压缩比控制得越低，越抑制压缩上止点附近的混合气温度。此外，运转点c1由于是高负载区域，所以即使在暖机完成后，也控制为与低负载区域(例如图2的区域A)进行比较后相对较低的机械压缩比。

如上述所示，通过进行机械压缩比的校正，以使得在气缸筒壁温T较低时，压缩上止点附近的混合气温度变低，从而可靠地抑制由于上述的机油飞散引起的异常燃烧。

下面，图8示出了本发明的第3实施例。在该实施例中，相对于进气阀5以及排气阀7中的至少一个，具有可变动阀机构，以能够实现气门重叠的扩大·缩小。在图示的例子中，在进气阀5侧，设置有能够至少使进气阀打开时期延迟的公知形式的可变动阀机构41，在其与具有固定的关闭时期的排气阀7之间，能够实现气门重叠的扩大·缩小。

另外，与上述的图5、图7相同地，在内燃机1的负载以及旋转速度处于区域C时，对可变动阀机构41进行控制，以使得气缸筒壁温T越低而气门重叠越大。通过这种气门重叠的扩大而对缸内的高温残留气体进行扫气，因此，抑制压缩上止点附近的混合气温度。

下面，图9示出了本发明的第4实施例。在该实施例中，具有使从内燃机1的排气系统向进气系统排气的一部分回流的排气回流装置。排气回流装置可以是公知的各种形式，例如具有：排气回流通路51，其从排气通路8至进气通路6；排气回流控制阀52，其为了对排气回流量进行调节而利用例如步进电动机连续地控制开度；以及EGR气体冷却器53，其利用外部气体或冷却水对回流排气进行冷却。

并且，在该实施例中，与上述的图5、图7相同地，在内燃机1的负载以及旋转速度处于区域C时，对排气回流控制阀52进行控制，以使得气缸筒壁温T越低，排气回流率越大。通过这种回流排气的导入而使缸内的混合气的热容比变低，因此，即使假设回流的排气与进气相比为高温，也使压缩上止点附近的混合气温度降低。此外，如上述所示通过使用EGR气体冷却器53，从而使回流排气的温度变低，在抑制压缩上止点附近的混合气温度方面更有利。

图10示出了本发明的第5实施例。在该实施例中，在增压器12的下游，具有用于对进气进行冷却的水冷式中冷器61，在这里构成为，与高温进气进行热更换的冷却水的流量，能够通过冷却水控制阀62而调节。即，可以通过向中冷器61的冷却水流量的可变控制，而对该中冷器61的冷却程度进行调节。

并且，在该实施例中，与上述的图5、图7相同地，在内燃机1的负载以及旋转速度处于区域C时，使冷却水控制阀62的开度增大，以使得气缸筒壁温T越低，越利用中冷器61积极地对进气进行冷却。因此，向缸内供给的进气的温度降低，抑制压缩上止点附近的混合气温度。此外，由于气缸筒壁温T越低时冷却水温度也越低，所以在中冷器61中，能够实现更有效的进气冷却。

此外，上述各实施例的混合气冷却单元也可以适当组合使用。

Claims (9)

1.一种带增压器的内燃机的控制装置，其中，该内燃机是火花点火式内燃机，具有缸内直接喷射式的燃料喷射装置，并且具有增压器，其特征在于，

在该带增压器的内燃机的控制装置中，

在起动完成后的内燃机运转中、且在气缸筒壁温较低的未暖机时，在规定的低速·增压区域，为了防止将机油成分作为着火源而在利用火花塞点火的点火时期之前着火的早燃，进行用于抑制压缩上止点附近的混合气温度的混合气冷却控制。

2.根据权利要求1所述的带增压器的内燃机的控制装置，

所述混合气冷却控制是所述燃料喷射装置中的喷射量的增量校正，气缸筒壁温越低，采用越大的增量比例。

3.根据权利要求2所述的带增压器的内燃机的控制装置，

内燃机旋转速度越低，越采用更大的增量比例。

4.根据权利要求1所述的带增压器的内燃机的控制装置，

所述内燃机还具有可变压缩比机构，

所述混合气冷却控制是利用该可变压缩比机构实现的机械压缩比的降低校正，气缸筒壁温越低，将机械压缩比设得越低。

5.根据权利要求1所述的带增压器的内燃机的控制装置，

所述内燃机还具有可变动阀机构，该可变动阀机构能够对进气阀打开时期或者排气阀关闭时期中的至少一个进行变更，

所述混合气冷却控制是利用该可变动阀机构使气门重叠扩大，气缸筒壁温越低，越使气门重叠扩大。

6.根据权利要求1所述的带增压器的内燃机的控制装置，

所述内燃机还具有排气回流装置，

所述混合气冷却控制是利用该排气回流装置使排气回流，气缸筒壁温越低，越增大排气回流率。

7.根据权利要求1所述的带增压器的内燃机的控制装置，

所述内燃机还具有对进气进行冷却的中冷器，

所述混合气冷却控制是利用该中冷器对进气进行冷却，气缸筒壁温越低，越加强对进气的冷却。

8.一种带增压器的内燃机的控制方法，其中，该内燃机具有缸内直接喷射式的燃料喷射装置，并且具有增压器，其特征在于，

在该带增压器的内燃机的控制方法中，

在起动完成后的内燃机运转中、且在气缸筒壁温较低的未暖机时，在规定的低速·增压区域，为了防止将机油成分作为着火源而在利用火花塞点火的点火时期之前着火的早燃，进行用于抑制压缩上止点附近的混合气温度的混合气冷却控制。

9.根据权利要求8所述的带增压器的内燃机的控制方法，

所述混合气冷却控制是所述燃料喷射装置中的喷射量的增量校正，气缸筒壁温越低采用越大的增量比例。